重力：擾動時空的主宰者

什麼是重力？
重力是如何產生的？
什麼是重力波？
又該如何觀測與計算？

打開牛津大學出版社最受歡迎通識讀本，
用最簡明的方式瞭解玄妙的重力。

重力是自然界中四大基本力之一，
是最古老、最弱和最難以量化的力量。
它讓讓蘋果掉落在地，
它讓具有質量的物體相互吸引，
它型塑了宇宙。

重力的交互作用是宇宙學的研究基礎，
理解重力，
對於探索地球上所有物體的運動、推導天體的運行乃至宇宙的擴張非常重要，
也正是對於重力的研究，
讓愛因斯坦對時間與空間的本質，有了突破性的認識。

本書從亞里斯多德、伽利略、牛頓，聊到愛因斯坦與霍金，
介紹重力理論的歷史演進，
闡述重力如何產生，宇宙如何借助重力支配星體的運行，
對於重力的各種驚人發現，又是如何不斷刷新我們對於時空的認知，
最後介紹在理論物理學中，諸如重力波、暗物質等關於重力的各項先端研究。

透過簡明的敘述與圖表，
快速建立關於重力的專業知識框架。
【你是知識控嗎？關於牛津通識課】

用最簡明直白的方式，了解現代人最需要知道的大問題。

牛津通識課（Very Short Introductions，簡稱VSI）是英國牛津大學出版社（Oxford University Press）的系列叢書，秉持「為所有讀者提供一個可讀性強且包羅萬千的工具書圖書館」的信念，於1995年首次推出，多年來已出版近700本讀物，內容涉及歷史、神學、藝術、哲學、文學、醫學、自然科學、政治等數十多種領域。每一本書對應一個主題，由該領域公認的專家撰寫，篇幅簡潔精煉，並提供進一步深度閱讀的建議，確保讀者讀完後能建立該主題的專業級知識框架。

【作者簡介】
提姆西‧克里夫頓(Timothy Clifton)
重力物理學家，畢業於英國劍橋大學，現任英國倫敦大學瑪麗女王學院的講師。

【譯者簡介】
胡訢諄
英國愛丁堡大學翻譯研究所畢業。譯作包括《創傷清潔工：與死屍、腐屋、精神疾病交手，擁抱生命中的混亂失序》、《理想的告別：找尋我們的臨終之路》、《下一個家在何方？驅離，臥底社會學家的居住直擊報告》、《嘉年華的誕生：慶典、舞會、演唱會、運動會如何翻轉全世界》等。

這是一本關於重力的書。重力讓具有質量的物體互相吸引，重力造成蘋果掉落在地，地球的形成也與重力有關。

自然界中四種基本的力，最為人熟悉的是重力，但重力運作的實際方式卻不怎麼明顯。現實中，我們所指的「重力」現象和時間與空間的本質密不可分。意思就是，現代對重力的瞭解，不只告訴我們天體在宇宙中如何運行，也讓我們知道，組成宇宙結構本身的時間與空間，又是如何表現。

本書目的在於向讀者介紹重力的多種面向。首先是關於重力理論的歷史發展，接著概述當今科學家如何理解重力。然後，我們會探討重力的物理現象對於地球、太陽系、乃至宇宙整體的影響。最後介紹在理論物理學中，幾位先鋒對於重力的近期研究。

我希望透過本書，讓讀者知道什麼是重力，也知道科學家如何藉助對於重力的研究，得到對於時間、空間，以及我們居住的宇宙的本質的精彩結論。

引言
第一章：從牛頓到愛因斯坦
第二章：太陽系中的重力
第三章：太陽系外的重力測試
第四章：重力波
第五章：宇宙學
第六章：重力物理學的先端研究
結語
延伸閱讀

第一章 從牛頓到愛因斯坦(摘錄)

存在於自然界中四種基本的力，目前最弱的是重力，其他三種是電磁力、強核力、弱核力。然而，就長遠的距離來說，重力才是主宰。這是因為唯有重力能夠吸引，也因為重力永遠無法被遮蔽，所以雖然多數的大型物體是電中性，卻永遠不會是重力中性。具有質量的物體之間的重力永遠會將物體拉在一起，而且質量越大重力越大。

感謝像牛頓（Newton）和愛因斯坦（Einstein）那樣的天才，讓我們對重力多少有些瞭解，但是相較於其他力，重力仍持續讓當代科學家感到神祕難解。想知道為什麼會這樣，就讓我們從頭說起，看看重力理論的歷史發展。

重力史前史

假設人類一直知道（雖說是假設，但這幾乎是可以確定的），當我們放開一個物體，它就會往下掉。這麼說來，我們一直意識到重力存在。早期許多思想家的焦點，似乎都放在造成這個運動的原因。

直到十七世紀末前，亞里斯多德（Aristotle）的《物理學》（Physics）在歐洲科學界佔有舉足輕重的地位。他認為物體應該往它們在宇宙中的自然位置移動，並以此解釋重力。他認為這一自然位置取決於該物體的成分。更精確地說，取決於物質中四大元素──土、水、氣、火──各自所占的比例。

亞里斯多德主張，主要由土和水組成的物體應該往宇宙中心移動。對他而言，宇宙中心就在他的腳下。因此，若是往空中丟擲由土做成的物體，必定會往地上移動。他認為土會沉到水底，所以水比土輕，因此所有的水必定在土的上方。同理，因為氣泡在水中會上升，所以氣比水輕，因此氣的自然位置在水之上，而火的自然位置在氣之上。

就當時人們對物質基本成分的瞭解，這個架構提供所觀察的世界某種合乎邏輯的秩序，甚至可以讓人論述物體落下的速度。亞里斯多德主張，物體掉落的速度應與其質量成正比，與穿過的媒介密度成反比。換句話說，亞里斯多德認為兩公斤重的物體落下的速度比一公斤重的快兩倍。

無奈的是，亞里斯多德的理論並不正確。現在我們知道，宇宙並不存在一個讓物體趨向的中心。透過實驗也發現，物體因重力而加速的速率「並不」與其質量成正比。事實上，已經證明所有物體皆以相同速率落下。這個發現是現代理解重力其中一個里程碑，因此需要進一步解釋。

所有物體在重力作用下的加速度相同，這一事實並不直觀。事實上，如果我的左手放開一根羽毛，右手放開一團鐵塊，我不會期待它們同時掉在地上。鐵塊會先著地。所以，「所有物體在重力作用下的加速度相同」是什麼意思？要瞭解這句話，我們必須先瞭解所有作用在這些物體的力。

當我放開羽毛，除了受到重力，它還受到其他力。羽毛開始掉落時，有來自周遭空氣的阻力。阻力延緩羽毛的速度，勝於影響沉重的鐵塊。任何些微的風都會對羽毛產生巨大作用，但對鐵塊的干擾卻是微乎其微。所以，「所有物體在重力作用下的加速度相同」並不適用於我們周圍環境的物體運動，而是在說如果物體僅僅受到重力影響而掉落的情況。換句話說，如果排除其他所有作用，那麼所有物體應該以相同的速率掉落。

對於這個命題的論證通常歸功於伽利略（Galileo）。據說一五九○年，他從比薩斜塔頂端放開不同質量的砲彈，發現無論這兩個砲彈成分為何，它們都以相同的速度掉落。更近期的，而且也許更戲劇性的是，阿波羅號的太空人大衛．史考特（David Scott）也得出相同的結果。史考特站在月球表面，同時放開一根羽毛和一支鐵鎚，由於月球上沒有空氣延緩那根羽毛的運動，所以兩個物體同時落在他的腳邊（如圖1）。今日我們稱這個現象為「自由落體的普遍性」（universality of free fall）。接下來我們將看到，這在牛頓和愛因斯坦的重力理論中，都是重要關鍵。